Введение к работе
Актуальность проблемы. В связи с существенным усложнением решаемых теплофизических проблем и необходимостью использования комплексного подхода, в рамках которого интегрируются последние достижения в области смежных наук, создаваемые в настоящее время экспериментальные установки становятся все более уникальными. Целый ряд крупных проектов, среди которых выделяются экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР, радиотелескоп - интерферометр ALMA и большой адронный коллайдер, основан на многостороннем международном сотрудничестве, а в их осуществлении участвует большое число групп исследователей из различных стран и регионов. В такой ситуации постоянное нахождение всех экспериментаторов непосредственно на рабочей площадке становится невозможным. Поэтому все большую актуальность приобретают новые методы проведения экспериментальных исследований, в соответствии с которыми различные группы исследователей расположены на значительном удалении от рабочей площадки и территориально разделены. Для достижения максимальной эффективности исследований они должны иметь возможность не просто следить за ходом эксперимента, а активно участвовать в его проведении, оперативно изменяя условия опытов в соответствии с полученными результатами.
В связи с созданием международного реактора ИТЭР в области теплофизики высокотемпературной плазмы становится все более актуальной разработка методов удаленного бесконтактного исследования плазмы по характеристикам радиационного теплообмена, которые основаны на дистанционном доступе к диагностическому оборудованию для управления его режимами. В этом случае работа на уникальном стенде может осуществляться с компьютера, удаленного на сколь угодно большое расстояние от изучаемого объекта. Такой режим может быть организован через сеть Интернет, доступ к которой имеют научные группы практически всех стран.
При использовании методов удаленного исследования радиационного теплообмена в плазме наряду с проведением активного эксперимента важную роль играют вопросы создания и реализации методов последующего высокопроизводительного расчета теплофизических параметров, ориентированных на сетевое применение. Большое значение приобретают также и вопросы подготовки специалистов, в совершенстве владеющих сетевыми технологиями управления сложными физическими комплексами.
Целью настоящей работы является разработка методов и систем для дистанционного экспериментального определения характеристик радиационного теплообмена высокотемпературных оптически прозрачных и поглощающих сред и методов расчета по ним теплофизических параметров плазмы.
В качестве основных инструментов удаленного исследования характеристик радиационного теплообмена в прозрачных и поглощающих высокотемпературных средах в диссертации рассматриваются методы их диагностики по излучению в радио- и оптическом диапазонах.
В диссертации решались следующие задачи:
- создание методов удаленного экспериментального исследования излучательных характеристик плазмы в оптическом и радио- диапазонах;
- разработка основ построения систем бесконтактной диагностики параметров плазмы на сложных и уникальных экспериментальных стендах через глобальную сеть;
- создание методов расчета пространственных распределений теплофизических параметров плазмы по экспериментально полученным характеристикам радиационного теплообмена в оптически прозрачных и поглощающих средах;
- создание аппаратно-программных систем для удаленных исследований радиационного теплообмена в оптическом и радио- диапазонах, автоматизированной обработки и расчета температуры и концентрации плазмы на основе полученных излучательных характеристик;
- отработка созданных диагностических систем и проведение серий экспериментов по определению теплофизических параметров плазмы применительно к проблеме управляемого термоядерного синтеза;
- создание и отработка систем автоматизированного лабораторного практикума с удаленным доступом с целью подготовки специалистов, владеющих дистанционными методами диагностики плазмы.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методик измерения и сравнением с данными других авторов. Приведены оценки погрешности измерений.
Научная новизна работы:
- впервые разработаны методы дистанционного экспериментального исследования характеристик радиационного теплообмена в плазме в оптическом и радио- диапазонах для диагностики теплофизических параметров плазмы на сложных и уникальных экспериментальных стендах и сформулированы основы построения систем для их реализации;
- научно обоснованы, созданы и отработаны программно-аппаратные системы для определения теплофизических свойств плазмы на основе регистрации и анализа характеристик радиационного теплоообмена на сложных и уникальных стендах через глобальную сеть;
- впервые показано, что в пределах погрешности измерений данные о распределениях атомов по всем возбужденным уровням для плазмообразующего газа (Ar) и распыленных атомов катода – мишени (Cr, Fe, Ni) в области интенсивного свечения магнетронного разряда хорошо укладываются на графики, описывающие больцмановский закон с единой для всех уровней температурой на уровне 1 эВ;
- по радиоизлучению в миллиметровом диапазоне длин волн получены распределения температуры и концентрации электронов по глубине солнечной хромосферы.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что:
- разработанные методы исследования и основы построения систем удаленной диагностики параметров плазмы могут широко применяться при создании диагностических систем для различных плазмофизических и термоядерных экспериментальных установок;
- созданный метод расчета пространственного распределения электронной температуры по характеристикам радиационного теплообмена в плазме сложного состава может быть использован для исследований параметров различных разрядов с линейчатым спектром излучения;
- полученные результаты исследований параметров плазмы магнетронного разряда оптическим методом могут быть применены при моделировании взаимодействия пристеночной плазмы термоядерного реактора с первыми зеркалами различных диагностик;
- созданная система удаленной диагностики плазмы солнечной хромосферы может служить основой для проведения совместных дистанционных исследований изменения состояния солнечной хромосферы из любой точки земного шара;
- сформулированные в диссертации метод обработки результатов наблюдения солнечной плазмы и расчета теплофизических параметров плазмы по разработанной математической модели хромосферы могут быть использованы при исследовании солнечной хромосферы с помощью радиотелескопов в миллиметровом диапазоне длин волн;
- сетевые образовательные технологии и комплексы применяются в учебном процессе для практической подготовки специалистов в области диагностики плазмы с использованием уникальных стендов.
Личное участие автора. Представленные в диссертации результаты получены непосредственно автором или при его равноправном участии. Автором лично разработаны методы удаленных исследований параметров радиационного теплообмена в высокотемпературных средах – магнетронной плазме сложного состава и плазме солнечной хромосферы. Диссертантом получены пространственные распределения электронной температуры магнетронной плазмы и выявлены зависимости ее значений от макропараметров разряда. Автором лично проведен анализ зарегистрированного радиоизлучения хромосферной плазмы в миллиметровом диапазоне длин волн и получены пространственные распределения температуры и концентрации электронов.
На защиту выносятся:
- методы удаленного исследования и расчета теплофизических свойств плазмы сложного состава и хромосферной плазмы по характеристикам радиационного теплообмена;
- созданные аппаратно-программные системы для удаленных диагностик теплофизических свойств высокотемпературных прозрачных и поглощающих сред по излучению в оптическом и радио- диапазонах;
- результаты экспериментальных исследований и расчета пространственных зависимостей электронной температуры плазмы магнетронного разряда, температуры и концентрации электронов в плазме солнечной хромосферы;
- созданные комплексы для удаленного проведения учебных экспериментов.
Апробация работы и публикации. Результаты работы представлялись на II и VI российских семинарах «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды», проводимых в МИФИ, на 2-й и 6-й Курчатовских молодежных научных школах (РНЦ «Курчатовский институт»), на Всероссийских научных конференциях «Физика низкотемпературной плазмы» 2001 и 2007 гг., на пятнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» 2009 г. в МЭИ (ТУ), на Всероссийских научных конференциях «Научный сервис в сети Интернет» в 2000, 2004, 2005, 2008 гг., на X, XI, XII и XV Всероссийских научно – методических конференциях «Телематика».
Работа докладывалась в Институте ядерного синтеза РНЦ «Курчатовский институт», МИФИ (Национальный исследовательский ядерный университет), МЭИ (ТУ), НИИ Радиоэлектронной техники МГТУ им. Н.Э. Баумана.
По тематике диссертации опубликовано 20 печатных работ, из которых 12 - в материалах Всероссийских и Международных конференций, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ, 8 статей в журналах и сборниках, в том числе 1 - в рецензируемом издании, входящем в список ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содержит 6 таблиц и 111 рисунков. Список литературы включает 122 наименования.
